物理科學小製作教程 新型水波干涉儀

自制水波干涉儀的結構、原理、製作及使用方法。利用該裝置可演示水波的干涉及衍射。

作為水波干涉演示實驗所用的相干波源，要達到良好的演示效果，需要滿足的主要條件有：

1)兩列波產生的過程直觀，原理易於為學生所理解；

2)能方便地調節波源的頻率、振幅；

3)效能穩定，工作可靠。

現有的水波干涉演示儀所用的相干波源有彈簧片振動式(分電機策動和電磁策動)、滴水式和斷續氣流式(用增氧泵產生氣流)等，它們各有特點。為尋求更佳的實驗效果，我們利用低頻揚聲器及其驅動電路效能穩定，可長時間在低頻率、大振幅情況下可靠工作的特點，設計製作了一新型氣泵式相干波源。

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1．儀器結構及原理

相干波源主體由低頻訊號發生器及其功率放大器、大功率長衝程揚聲器和其它配件組成。由頻率可調的低頻訊號發生器產生的正弦波，經功率放大後驅動揚聲器，其振膜的振動驅動泵箱內空氣，並經兩噴氣管策動水面，形成相干波源(其基本結構如圖1所示)。

圖1相干波源主體框圖

2．儀器的製作

2.1專用訊號發生器及放大器

本儀器所用的訊號發生器為專門設計的低頻正弦波發生器，功率放大器為音訊整合功放，它們分別以積體電路μA741，TDA2030為核心，參考電路如圖2(a)所示。調節W1和W2即可改變相干波源的頻率及振幅。該電路的電源如圖2(b)所示。採用半波整流取出“+”、“-”雙直流電源，是為了配合現有的大部分學生電源均為單交流輸出而設計的，其中2Ω/10W的電阻是為了防止開機電容充電時很大的浪湧電流而引起學生電源過流保護。當然，電源部分也可用電源變壓器及整流、濾波電路提供。

圖2訊號發生器及放大器電路

2.2揚聲器及泵箱

揚聲器採用“銀笛YD131-724XS”低音揚聲器。泵箱是把揚聲器的前端用一塊(開有與揚聲器口徑等大的孔)軟塑料密封墊圈和一塊(開有兩個直徑8mm的出氣孔)透明有機玻璃蓋板一起用螺釘密封而成。這樣可以直觀的看到揚聲器振膜的振動，便於說明相干波源的產生機理。然後把長2cm，內外徑分別為4mm和8mm的硬塑料管插入兩出氣孔(一端與有機玻璃板平齊)，並用萬能膠粘牢、密封。裝配示意圖如圖3所示。

圖3揚聲器及泵箱裝配圖

2.3噴氣管及噴頭

噴氣管採用直徑8mm的輸血膠管，一端與泵箱相連，另一端需加長約10cm，口徑約2mm的噴頭(可直接採用質地較硬的圓珠筆芯)，兩噴頭的間距約為4～8cm，任意可調，以適合不同波長的相干波。為調節方便，用一根長6cm，內外徑分別為18mm和20mm的硬塑料管和另一根長6cm，內外徑分別為16mm和18mm的硬塑料管組成一個兩節伸縮式圓柱套管，然後把兩噴頭分別固定在該套管的兩端(如圖4所示)。

圖4噴氣管及噴頭

2.4總裝

將電路部分安裝在一機箱內，頻率調節旋鈕、振幅調節旋鈕和電源開關安裝在箱體面板上，並引出電源線和揚聲器連線線；噴氣管與泵箱的連線則做成可任意拔插式，兩噴頭固定在圓柱套管上，然後用試管夾及鐵架臺將其置於發波水槽水面上方約1cm處。實物連線如圖5所示。

3．使用方法

按圖5把電源線與學生電源的交流輸出接線柱(取交流12V)相連，開啟相干波源電源開關，適當調節頻率、振幅旋鈕、兩噴氣管口間距及投影儀，在投影螢幕上即可觀察到明顯的水波干涉圖樣(噴氣管口與水面的間距一般取2cm)。如果要演示兩列頻率、振幅不相等的水波的相遇情況，只需用兩臺該相干波源各自的一個噴氣管，並調節使它們的頻率、振幅不相等即可。該儀器除能演示波的干涉外，還能演示波的衍射。使用時只需拔去其中一噴氣管並用小塞子堵住該出氣孔，然後在水中適當位置放置障礙物或小孔即可。

圖5總裝示意圖

本裝置設計中採用的文氏電橋正弦波發生器及低頻功率放大器，其核心積體電路效能穩定，外圍電路簡單，取材容易，成本低；頻率為1～300Hz任意可調(當頻率超過50Hz時，水波的波長較小，不適於演示)，並保證足夠振幅；用空氣作傳遞振動介質，通過氣流策動水面而產生水波，避免了激發頭直接安裝在揚聲器振膜上而容易出現激發頭被卡死，導致揚聲器和功率放大器損壞，增強了裝置的安全性、穩定性和可靠性。

4．參考文獻

1．羅星凱.中學物理疑難實驗專題研究.桂林:廣西師範大學出版社，1998.58～60.

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（作者：劉小兵、樑維剛、羅星凱；原載：《物理實驗》2001年第11期）